藍(lán)寶石單晶生長(zhǎng)技術(shù)

1、Sunphire藍(lán)寶石生長(zhǎng)技術(shù)焰熔法（Vemeuil)：是從熔體中生長(zhǎng)單晶體的方法。其原料的粉末在通過(guò)高溫的氫氧火焰后熔化，熔滴在下落過(guò)程中冷卻并在種晶上固結(jié)逐漸生長(zhǎng)形成晶體。 焰熔法的粗略的說(shuō)是利用氫及氧氣在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生高溫，使一種疏松的原料粉末（VK-L100G）通過(guò)氫氧焰撒下焰融，并落在一個(gè)冷卻的結(jié)晶桿上結(jié)成單晶焰熔法合成裝置由供料系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)和生長(zhǎng)系統(tǒng)組成，合成過(guò)程是在維爾納葉爐中進(jìn)行的。A.供料系統(tǒng) 原料：成分因合成品的不同而變化。原料的粉末（VK-L100G）經(jīng)過(guò)充分拌勻，放入料筒。如果合成紅寶石，則需要高純Al2O3粉末和少量的 Cr2O3參雜，Cr2O3用作致色劑，添加量為

2、 1-3%。高純?nèi)趸X可由鋁銨礬加熱獲得。 料筒：圓筒，用來(lái)裝原料，底部有篩孔。料筒中部貫通有一根震動(dòng)裝置使粉末少量、等量、周期性地從篩孔漏出。 震蕩器：驅(qū)動(dòng)震動(dòng)棒震動(dòng)，使料筒不斷抖動(dòng)，以便原料的粉末能從篩孔漏出。 B.燃燒系統(tǒng) 氧氣管：從料筒一側(cè)釋放，與原料粉末一同下降； 氫氣管：在火焰上方噴嘴處與氧氣混合燃燒。通過(guò)控制管內(nèi)流量來(lái)控制氫氧比例，O2:H2=1:3；氫氧燃燒溫度為2500，高純Al2O3粉末的熔點(diǎn)為2050； 冷卻套：吹管至噴嘴處有一冷卻水套，使氫氣和氧氣處于正常供氣狀態(tài)，保證火焰以上的氧管不被熔化C.生長(zhǎng)系統(tǒng) 落下的粉末（VK-L100G）經(jīng)過(guò)氫氧火焰熔融，并落在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)

3、上的種晶棒上，逐漸長(zhǎng)成一個(gè)晶棒（梨晶）。水套下為一耐火磚圍砌的保溫爐，保持燃燒溫度及晶體生長(zhǎng)溫度，近上部有一個(gè)觀察孔，可了解晶體生長(zhǎng)情況。耐火磚的作用是保持爐腔的溫度，使之緩慢下降，以便結(jié)晶生長(zhǎng)。 旋轉(zhuǎn)平臺(tái)：安置種晶棒，邊旋轉(zhuǎn)、邊下降；落下的熔滴與種晶棒接觸稱為接晶；接晶后通過(guò)控制旋轉(zhuǎn)平臺(tái)擴(kuò)大晶種的生長(zhǎng)直徑，稱為擴(kuò)肩；然后，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)以均勻的速度邊旋轉(zhuǎn)邊下降，使晶體得以等徑生長(zhǎng)。提拉法（CZ)：提拉法是將構(gòu)成晶體的原料放在坩堝中加熱熔化，在熔體表面接籽晶提拉熔體，在受控條件下，使籽晶和熔體在交界面上不斷進(jìn)行原子或分子的重新排列，隨降溫逐漸凝固而生長(zhǎng)出單晶體。二、提拉法的生長(zhǎng)工藝首先將待生長(zhǎng)的晶體

4、的原料放在耐高溫的坩堝中加熱熔化，調(diào)整爐內(nèi)溫度場(chǎng)，使熔體上部處于過(guò)冷狀態(tài)；然后在籽晶桿上安放一粒籽晶，讓籽晶接觸熔體表面，待籽晶表面稍熔后，提拉并轉(zhuǎn)動(dòng)籽晶桿，使熔體處于過(guò)冷狀態(tài)而結(jié)晶于籽晶上，在不斷提拉和旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，生長(zhǎng)出圓柱狀晶體。 晶體提拉法的裝置由五部分組成：（1）加熱系統(tǒng)加熱系統(tǒng)由加熱、保溫、控溫三部分構(gòu)成。最常用的加熱裝置分為電阻加熱和高頻線圈加熱兩大類。采用電阻加熱，方法簡(jiǎn)單，容易控制。保溫裝置通常采用金屬材料以及耐高溫材料等做成的熱屏蔽罩和保溫隔熱層，如用電阻爐生長(zhǎng)釔鋁榴石、剛玉時(shí)就采用該保溫裝置。控溫裝置主要由傳感器、控制器等精密儀器進(jìn)行操作和控制。（2）坩堝和籽晶夾作坩堝的材

5、料要求化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、純度高，高溫下機(jī)械強(qiáng)度高，熔點(diǎn)要高于原料的熔點(diǎn)200左右。常用的坩堝材料為鉑、銥、鉬、石墨、二氧化硅或其它高熔點(diǎn)氧化物。其中鉑、銥和鉬主要用于生長(zhǎng)氧化物類晶體。籽晶用籽晶夾來(lái)裝夾。籽晶要求選用無(wú)位錯(cuò)或位錯(cuò)密度低的相應(yīng)寶石單晶。（3）傳動(dòng)系統(tǒng)為了獲得穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)和升降，傳動(dòng)系統(tǒng)由籽晶桿、坩堝軸和升降系統(tǒng)組成。（4）氣氛控制系統(tǒng)不同晶體常需要在各種不同的氣氛里進(jìn)行生長(zhǎng)。如釔鋁榴石和剛玉晶體需要在氬氣氣氛中進(jìn)行生長(zhǎng)。該系統(tǒng)由真空裝置和充氣裝置組成。（5）后加熱器后熱器可用高熔點(diǎn)氧化物如氧化鋁、 陶瓷或多層金屬反射器如鉬片、鉑片等制成。通常放在坩堝的上部，生長(zhǎng)的晶體逐漸進(jìn)入后熱器，生

6、長(zhǎng)完畢后就在后熱器中冷卻至室溫。后熱器的主要作用是調(diào)節(jié)晶體和熔體之間的溫度梯度，控制晶體的直徑，避免組分過(guò)冷現(xiàn)象引起晶體破裂。導(dǎo)膜法（EFG）： 即邊緣限定薄膜供料提拉生長(zhǎng)技術(shù)。它是將留有毛細(xì)管狹縫的模具放在熔體中，熔液借毛細(xì)作用上升到模具頂部，形成一層薄膜并向四周擴(kuò)散，同時(shí)受種晶誘導(dǎo)結(jié)晶，模具頂部的邊緣可控制晶體呈片狀、管狀或所需的某種幾何形狀產(chǎn)出。這種方法用于定型生長(zhǎng)單晶材料 坩堝下降法（BG）：用于晶體生長(zhǎng)用的材料裝在圓柱型的坩堝中,緩慢地下降,并通過(guò)一個(gè)具有一定溫度梯度的加熱爐,爐溫控制在略高于材料的熔點(diǎn)附近。根據(jù)材料的性質(zhì)加熱器件可以選用電阻爐或高頻爐。在通過(guò)加熱區(qū)域時(shí),坩堝中的材料

7、被熔融,當(dāng)坩堝持續(xù)下降時(shí),坩堝底部的溫度先下降到熔點(diǎn)以下,并開(kāi)始結(jié)晶,晶體隨坩堝下降而持續(xù)長(zhǎng)大。坩堝下降法一般采用自發(fā)成核生長(zhǎng)晶體，其獲得單晶體的依據(jù)就是晶體生長(zhǎng)中的幾何淘汰規(guī)律，原理是在一根管狀容器底部有三個(gè)方位不同的晶核A、B、C，其生長(zhǎng)速度因方位不同而不同。假設(shè)晶核B的最大生長(zhǎng)速度方向與管壁平行，晶核A和C則與管壁斜交。在生長(zhǎng)過(guò)程中，A核和C核的成長(zhǎng)空間因受到B核的排擠而不斷縮小，在成長(zhǎng)一段時(shí)間以后終于完全被B核所湮沒(méi)，最終只剩下取向良好的B核占據(jù)整個(gè)熔體而發(fā)展成單晶體，這一現(xiàn)象即為幾何淘汰規(guī)律。優(yōu)點(diǎn)1、 由于可以把原料密封在坩堝里，減少了揮發(fā)造成的泄漏和污染，使晶體的成分容易控制。2、

8、 操作簡(jiǎn)單，可以生長(zhǎng)大尺寸的晶體?？缮L(zhǎng)的晶體品種也很多，且易實(shí)現(xiàn)程序化生長(zhǎng)。3、 由于每一個(gè)坩堝中的熔體都可以單獨(dú)成核，這樣可以在一個(gè)結(jié)晶爐中同時(shí)放入若干個(gè)坩堝，或者在一個(gè)大坩堝里放入一個(gè)多孔的柱形坩堝，每個(gè)孔都可以生長(zhǎng)一塊晶體，而它們則共用一個(gè)圓錐底部進(jìn)行幾何淘汰，這樣可以大大提高成品率和工作效率。2缺點(diǎn)1、 不適宜生長(zhǎng)在冷卻時(shí)體積增大的晶體。2、 由于晶體在整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中直接與坩堝接觸，往往會(huì)在晶體中引入較大的內(nèi)應(yīng)力和較多的雜質(zhì)。3、在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中難于直接觀察，生長(zhǎng)周期也比較長(zhǎng)。4、若在下降法中采用籽晶法生長(zhǎng)，如何使籽晶在高溫區(qū)既不完全熔融，又必須使它有部分熔融以進(jìn)行完全生長(zhǎng)，是一個(gè)比

9、較難控制的技術(shù)問(wèn)題?？傊?，BS法的最大優(yōu)點(diǎn)是能夠制造大直徑的晶體(直徑達(dá)200mm)，其主要缺點(diǎn)是晶體和坩堝壁接觸容易產(chǎn)生應(yīng)力或寄生成核。水平溫度梯度法（TGT）：是以定向籽晶誘導(dǎo)的熔體單結(jié)晶方法。 包括放置在簡(jiǎn)單鐘罩式真空電阻爐內(nèi)的 坩堝、發(fā)熱體和屏蔽裝置，采用镅坩堝、石墨發(fā)熱體。 坩堝底部中心有一籽晶槽，避免耔晶在化料時(shí)被熔化掉。為了增加坩堝穩(wěn)定性， 籽晶槽固定在定位棒的圓形凹槽內(nèi)。溫場(chǎng)由石墨發(fā)熱體和冷卻裝置共同提供。發(fā) 熱體為被上下槽割成矩形波狀的板條通電回路的圓筒， 整個(gè)圓筒安裝在與水冷電 極相連的石墨電極板上。板條上半部按一定規(guī)律打孔，以調(diào)節(jié)發(fā)熱電阻使其通電 后自上而下造成近乎線性溫

10、差。 發(fā)熱體下半部溫差通過(guò)石墨發(fā)熱體與水冷電極 而發(fā)熱體下半部溫差通過(guò)石墨發(fā)熱體與水冷電極 板的傳導(dǎo)來(lái)創(chuàng)造。籽晶附近的溫場(chǎng)還要依靠與水冷坩堝桿的熱傳導(dǎo)共同提供。熱交換法（HEM)：原理是利用熱交換器來(lái)帶走熱量，使得晶體生長(zhǎng)區(qū)內(nèi)形成一下冷上熱的縱向溫度梯度，同時(shí)再藉由控制熱交換器內(nèi)氣體流量(He冷卻源)的大小以及改變加熱功率的高低來(lái)控制此溫度梯度，藉此達(dá)成坩堝內(nèi)熔湯由下慢慢向上凝固成晶體之目的特點(diǎn)：1)溫度梯度分布與重力場(chǎng)相反，坩堝、晶體和熱交換器皆不移動(dòng)，晶體生長(zhǎng)界面穩(wěn)定、無(wú)機(jī)械擾動(dòng)、浮力對(duì)流小，消除了由于機(jī)械運(yùn)動(dòng)而造成的晶體缺陷；2)晶體生長(zhǎng)后仍保持在熱區(qū)，控制氦氣流量可使溫度由結(jié)晶溫度緩慢均勻降低，實(shí)現(xiàn)原位退火，減少晶體的熱應(yīng)力及